微流控芯片340 nm紫外探測電路設(shè)計(jì)

柳常清+曹國華+武俊峰+李胤

摘要： 針對微流控芯片對紫外探測的性能要求，設(shè)計(jì)了探測器前置放大電路。通過理論分析和計(jì)算機(jī)仿真給出了光電探測器放大電路分析設(shè)計(jì)的一般方法，使得所設(shè)計(jì)的電路可同時滿足穩(wěn)定性和快速性的要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所設(shè)計(jì)的電路可很好地滿足微流控芯片對340 nm紫外探測的要求，并達(dá)到較高探測精度。

關(guān)鍵詞： 微流控芯片； 光電探測器； 前置放大電路

中圖分類號： TN 23文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.013

引言微流控芯片實(shí)驗(yàn)室（labonachip）又被稱為微流控芯片，是一種正在蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)平臺，目前已在十分廣闊的領(lǐng)域取得進(jìn)展，展現(xiàn)了其在生物化學(xué)分析、醫(yī)學(xué)診斷、藥物篩選等相關(guān)領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。CD式微流控芯片作為微流控芯片的一種，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)已被多家國內(nèi)外公司應(yīng)用到生化分析儀器上。為滿足對微流控芯片的探測要求，其探測電路需要具備足夠的穩(wěn)定性能及探測精度。本文在理論分析的前提下結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真對光電探測電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)以保證光電探測電路的穩(wěn)定可靠。1系統(tǒng)工作原理CD式微流控芯片中流體的轉(zhuǎn)移及混合均是在離心力的作用下完成的。其基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。在生化分析過程中，芯片在無刷直流電機(jī)的驅(qū)動之下，首先跟隨一定的速度曲線以特定的運(yùn)動方式進(jìn)行離心運(yùn)動，完成血清分離和血清與反應(yīng)試劑的混合，待試劑開始與分離出來的血清進(jìn)行反應(yīng)后，電機(jī)以50～100 r/min速度低速旋轉(zhuǎn)，同時對各通道進(jìn)行光學(xué)探測。光學(xué)探測部分主要由鹵鎢燈光源、光源光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、硅光電二極管以及微型光譜儀組成。鹵鎢燈光源光束經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)后透過芯片并經(jīng)分光鏡分光后被微型光譜儀和硅光電探測器接收。光譜儀對可見光進(jìn)行探測，紫外增強(qiáng)的硅光電管則主要進(jìn)行340 nm紫外光部分的探測。為保證探測數(shù)據(jù)的可靠與精確，必須對光電管前置放大電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以滿足探測電路對快速性和穩(wěn)定性的要求。

2探測電路設(shè)計(jì)及分析基本的光電探測電路如圖3所示。在有光照射時，光電管將產(chǎn)生與入射光強(qiáng)成正比的電流Isc，Isc流過反饋電阻RF在輸出端形成電壓Vout=Isc*RF；考慮探測器結(jié)電容、分流電阻、放大器輸入電容以及反饋電阻寄生電容的影響而建立圖4模型。光學(xué)儀器第36卷

第6期柳常清，等：微流控芯片340 nm紫外探測電路設(shè)計(jì)

在圖4中，CJ為探測器結(jié)電容，RJ為探測器分流電阻，CD為放大器差模輸入電容，CM為放大器共模輸入電容。由于CJ，CD，CM的存在將在電路傳遞函數(shù)中引入一個極點(diǎn)，從而可能引發(fā)電路輸出震蕩。典型現(xiàn)象是對階躍輸入響應(yīng)的振鈴現(xiàn)象。是否會產(chǎn)生震蕩還取決于RF寄生電容CRF的大小以及放大器增益帶寬積，根據(jù)各元件參數(shù)不同其電路開環(huán)增益與噪聲增益幅頻特性有以下三種情況，如圖5所示。 圖5不同元件參數(shù)對放大電路噪聲增益的影響

參考文獻(xiàn)：

[1]李鵬，祝連慶，陳青山，等.微弱光信號的光電探測放大電路的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2012，14（7）：2632.

[2]霍戌文，李偉，李進(jìn)，等.光電探測微信號放大器設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報，2005，22（3）：259262.

[3]劉彬，張秋蟬.光電檢測前置放大電路的設(shè)計(jì)[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2003，27（3）：193196.

摘要： 針對微流控芯片對紫外探測的性能要求，設(shè)計(jì)了探測器前置放大電路。通過理論分析和計(jì)算機(jī)仿真給出了光電探測器放大電路分析設(shè)計(jì)的一般方法，使得所設(shè)計(jì)的電路可同時滿足穩(wěn)定性和快速性的要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所設(shè)計(jì)的電路可很好地滿足微流控芯片對340 nm紫外探測的要求，并達(dá)到較高探測精度。

關(guān)鍵詞： 微流控芯片； 光電探測器； 前置放大電路

中圖分類號： TN 23文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.013

引言微流控芯片實(shí)驗(yàn)室（labonachip）又被稱為微流控芯片，是一種正在蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)平臺，目前已在十分廣闊的領(lǐng)域取得進(jìn)展，展現(xiàn)了其在生物化學(xué)分析、醫(yī)學(xué)診斷、藥物篩選等相關(guān)領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。CD式微流控芯片作為微流控芯片的一種，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)已被多家國內(nèi)外公司應(yīng)用到生化分析儀器上。為滿足對微流控芯片的探測要求，其探測電路需要具備足夠的穩(wěn)定性能及探測精度。本文在理論分析的前提下結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真對光電探測電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)以保證光電探測電路的穩(wěn)定可靠。1系統(tǒng)工作原理CD式微流控芯片中流體的轉(zhuǎn)移及混合均是在離心力的作用下完成的。其基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。在生化分析過程中，芯片在無刷直流電機(jī)的驅(qū)動之下，首先跟隨一定的速度曲線以特定的運(yùn)動方式進(jìn)行離心運(yùn)動，完成血清分離和血清與反應(yīng)試劑的混合，待試劑開始與分離出來的血清進(jìn)行反應(yīng)后，電機(jī)以50～100 r/min速度低速旋轉(zhuǎn)，同時對各通道進(jìn)行光學(xué)探測。光學(xué)探測部分主要由鹵鎢燈光源、光源光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、硅光電二極管以及微型光譜儀組成。鹵鎢燈光源光束經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)后透過芯片并經(jīng)分光鏡分光后被微型光譜儀和硅光電探測器接收。光譜儀對可見光進(jìn)行探測，紫外增強(qiáng)的硅光電管則主要進(jìn)行340 nm紫外光部分的探測。為保證探測數(shù)據(jù)的可靠與精確，必須對光電管前置放大電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以滿足探測電路對快速性和穩(wěn)定性的要求。

2探測電路設(shè)計(jì)及分析基本的光電探測電路如圖3所示。在有光照射時，光電管將產(chǎn)生與入射光強(qiáng)成正比的電流Isc，Isc流過反饋電阻RF在輸出端形成電壓Vout=Isc*RF；考慮探測器結(jié)電容、分流電阻、放大器輸入電容以及反饋電阻寄生電容的影響而建立圖4模型。光學(xué)儀器第36卷

第6期柳常清，等：微流控芯片340 nm紫外探測電路設(shè)計(jì)

在圖4中，CJ為探測器結(jié)電容，RJ為探測器分流電阻，CD為放大器差模輸入電容，CM為放大器共模輸入電容。由于CJ，CD，CM的存在將在電路傳遞函數(shù)中引入一個極點(diǎn)，從而可能引發(fā)電路輸出震蕩。典型現(xiàn)象是對階躍輸入響應(yīng)的振鈴現(xiàn)象。是否會產(chǎn)生震蕩還取決于RF寄生電容CRF的大小以及放大器增益帶寬積，根據(jù)各元件參數(shù)不同其電路開環(huán)增益與噪聲增益幅頻特性有以下三種情況，如圖5所示。 圖5不同元件參數(shù)對放大電路噪聲增益的影響

參考文獻(xiàn)：

[1]李鵬，祝連慶，陳青山，等.微弱光信號的光電探測放大電路的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2012，14（7）：2632.

[2]霍戌文，李偉，李進(jìn)，等.光電探測微信號放大器設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報，2005，22（3）：259262.

[3]劉彬，張秋蟬.光電檢測前置放大電路的設(shè)計(jì)[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2003，27（3）：193196.

摘要： 針對微流控芯片對紫外探測的性能要求，設(shè)計(jì)了探測器前置放大電路。通過理論分析和計(jì)算機(jī)仿真給出了光電探測器放大電路分析設(shè)計(jì)的一般方法，使得所設(shè)計(jì)的電路可同時滿足穩(wěn)定性和快速性的要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所設(shè)計(jì)的電路可很好地滿足微流控芯片對340 nm紫外探測的要求，并達(dá)到較高探測精度。

關(guān)鍵詞： 微流控芯片； 光電探測器； 前置放大電路

中圖分類號： TN 23文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.013

引言微流控芯片實(shí)驗(yàn)室（labonachip）又被稱為微流控芯片，是一種正在蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)平臺，目前已在十分廣闊的領(lǐng)域取得進(jìn)展，展現(xiàn)了其在生物化學(xué)分析、醫(yī)學(xué)診斷、藥物篩選等相關(guān)領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。CD式微流控芯片作為微流控芯片的一種，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)已被多家國內(nèi)外公司應(yīng)用到生化分析儀器上。為滿足對微流控芯片的探測要求，其探測電路需要具備足夠的穩(wěn)定性能及探測精度。本文在理論分析的前提下結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真對光電探測電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)以保證光電探測電路的穩(wěn)定可靠。1系統(tǒng)工作原理CD式微流控芯片中流體的轉(zhuǎn)移及混合均是在離心力的作用下完成的。其基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。在生化分析過程中，芯片在無刷直流電機(jī)的驅(qū)動之下，首先跟隨一定的速度曲線以特定的運(yùn)動方式進(jìn)行離心運(yùn)動，完成血清分離和血清與反應(yīng)試劑的混合，待試劑開始與分離出來的血清進(jìn)行反應(yīng)后，電機(jī)以50～100 r/min速度低速旋轉(zhuǎn)，同時對各通道進(jìn)行光學(xué)探測。光學(xué)探測部分主要由鹵鎢燈光源、光源光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、硅光電二極管以及微型光譜儀組成。鹵鎢燈光源光束經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)后透過芯片并經(jīng)分光鏡分光后被微型光譜儀和硅光電探測器接收。光譜儀對可見光進(jìn)行探測，紫外增強(qiáng)的硅光電管則主要進(jìn)行340 nm紫外光部分的探測。為保證探測數(shù)據(jù)的可靠與精確，必須對光電管前置放大電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以滿足探測電路對快速性和穩(wěn)定性的要求。

2探測電路設(shè)計(jì)及分析基本的光電探測電路如圖3所示。在有光照射時，光電管將產(chǎn)生與入射光強(qiáng)成正比的電流Isc，Isc流過反饋電阻RF在輸出端形成電壓Vout=Isc*RF；考慮探測器結(jié)電容、分流電阻、放大器輸入電容以及反饋電阻寄生電容的影響而建立圖4模型。光學(xué)儀器第36卷

第6期柳常清，等：微流控芯片340 nm紫外探測電路設(shè)計(jì)

在圖4中，CJ為探測器結(jié)電容，RJ為探測器分流電阻，CD為放大器差模輸入電容，CM為放大器共模輸入電容。由于CJ，CD，CM的存在將在電路傳遞函數(shù)中引入一個極點(diǎn)，從而可能引發(fā)電路輸出震蕩。典型現(xiàn)象是對階躍輸入響應(yīng)的振鈴現(xiàn)象。是否會產(chǎn)生震蕩還取決于RF寄生電容CRF的大小以及放大器增益帶寬積，根據(jù)各元件參數(shù)不同其電路開環(huán)增益與噪聲增益幅頻特性有以下三種情況，如圖5所示。 圖5不同元件參數(shù)對放大電路噪聲增益的影響

參考文獻(xiàn)：

[1]李鵬，祝連慶，陳青山，等.微弱光信號的光電探測放大電路的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2012，14（7）：2632.

[2]霍戌文，李偉，李進(jìn)，等.光電探測微信號放大器設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報，2005，22（3）：259262.

[3]劉彬，張秋蟬.光電檢測前置放大電路的設(shè)計(jì)[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2003，27（3）：193196.